一种机器人加工系统定位误差的优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种机器人加工系统定位误差的优化方法,包括：(1)构建机器人加工系统；(2)在机器人加工系统中建立研究所需的五个坐标系；(3)将计算得到的机器人加工系统中五个坐标系间的变换关系作为优化的初始变换关系；(4)采集优化所需的数据；(5)用LM算法优化LBT闭环、LCT闭环和LTCW闭环中的坐标系间的变换关系；(6)用一个BP神经网络模型对不同闭环优化后同一点的不同坐标值进行融合，输出融合后该点的坐标值即为机器人末端刀具的位置坐标。该方法减小了机器人末端刀具的位姿误差，可有效解决机器人加工过程中，坐标系连续变换带来的误差传递问题，且便于在生产加工中运用。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人加工系统定位误差的优化方法
本专利技术涉及定位误差的优化方法，尤其涉及机器人加工系统定位误差的优化方法。
技术介绍
在航空航天、高铁船舶、风能核电等领域，存在大量面形结构复杂、精度要求高的超大型整体结构件，重型机床通常难以完成此类结构件的加工制造任务，国际上普遍采用机器人加工系统代替人工作业。可是，为保证机器人加工系统的加工精度，该系统不仅需要配备高精度和高刚度的加工机器人，还必须配备相应的测量系统，以便对移动平台、机器人、整体结构件的定位基准实施精确的测量，并需将机器人、工装、工件系统等多坐标系基准统一到全局坐标系下表达。然而，机器人本体误差、坐标系变换误差、标靶点测量误差等误差难以完全测量补偿，且坐标系连续变换过程中，误差长程累积效应明显，极易形成误差的终端集聚。仅优化局部坐标系间的变换关系，可以达到提高局部定位精度的要求，但无法准确保证加工过程中机器人末端刀具与整体结构件在三维空间内的定位精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种机器人加工系统定位误差的优化方法，可有效解决机器人加工过程中，坐标系连续变换带来的误差传递问题，减小机器人末端刀具的定位误差。实现本专利技术方法采用的技术方案是：本专利技术的一种机器人加工系统定位误差的优化方法，包括如下步骤：步骤一、构建机器人加工系统：机器人加工系统包括机器人、激光跟踪仪、条纹投影测量系统和工件；在所述的机器人的基座上安装有四个第一靶球座，根据四个第一靶球座设计图纸和加工信息获得四个第一靶球座在基座上的坐标值；所述的条纹投影测量系统与机器人的末端刚性连接；机器人加工工件时，条纹投影测量系统在工件附近获取工件的点云信息，获取的工件点云信息输入机器人的控制系统，机器人的控制系统控制机器人末端修正；所述的工件安装在工装上，工装上安装有四个第二靶球座，根据第二靶球座设计图纸和加工信息获得四个第二靶球座在工装上的坐标值；步骤二、在机器人加工系统中建立坐标系：在激光跟踪仪中建立激光跟踪仪坐标系L、在机器人系统中建立机器人基坐标系B、在机器人末端建立机器人末端刀具坐标系T、在条纹投影测量系统中建立条纹投影测量系统坐标系C、在工件中建立工件坐标系W五个坐标系；步骤三、将计算得到的机器人加工系统中五个坐标系间的变换关系作为优化的初始变换关系，具体步骤为：(1)在四个第一靶球座上分别放置第一靶球，由第一靶球的直径和四个第一靶球座在基座上的坐标值，计算得到第一靶球的中心点在机器人基坐标系B中的坐标；在四个第二靶球座上分别放置第二靶球，由第二靶球的直径和四个第二靶球座在工装上的坐标值，计算得到第二靶球的中心点在工件坐标系W中的坐标，激光跟踪仪放在能够测得机器人加工系统中全部靶球中心点的位置；(2)利用激光跟踪仪测量四个第一靶球的中心点的坐标值，得到在激光跟踪仪坐标系L下四个第一靶球的中心点坐标值；利用四个第一靶球的中心点在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值和四个第一靶球的中心点在机器人基坐标系B下的坐标值，通过SVD法计算得到激光跟踪仪坐标系L在机器人基坐标系B下的实际位姿作为激光跟踪仪坐标系L和机器人基坐标系B的初始变换关系；(3)从机器人控制系统中获取机器人基坐标系B在机器人末端刀具坐标系T下的实际位姿作为机器人基坐标系B和机器人末端刀具坐标系T的初始变换关系；(4)通过机器人手眼标定得到机器人的手眼关系即为条纹投影测量系统坐标系C在机器人末端刀具坐标系T下的实际位姿作为条纹投影测量系统坐标系C和机器人末端刀具坐标系T的初始变换关系；(5)将在工件坐标系中的坐标已知的四个靶点分别贴在工件上，利用条纹投影测量系统测量四个靶点在条纹投影测量系统坐标系下的坐标，通过SVD法计算得到条纹投影测量系统坐标系C在工件坐标系W下的实际位姿作为条纹投影测量系统坐标系C和工件坐标系W的初始变换关系；(6)利用激光跟踪仪测量四个第二靶球，得到四个第二靶球中心点在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值，利用四个第二靶球的中心点在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值和四个第二靶球的中心点在工件坐标系W下的坐标值，通过SVD法计算得到激光跟踪仪坐标系L在工件坐标系W下的实际位姿作为激光跟踪仪坐标系L和工件坐标系W的初始变换关系；步骤四、采集优化所需的数据，具体步骤为：(1)在机器人工作空间中选取第一系列点，将所述的第一系列点在激光跟踪仪坐标系L下坐标值表示为Lpi，i∈N，利用机器人控制系统控制机器人末端依次到达各个所述的第一系列点；(2)在机器人末端安装末端靶球架，在末端靶球架上面放置第三靶球，然后利用激光跟踪仪测量第三靶球在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值并在机器人的控制系统中记录与该坐标值相对应的矩阵(3)在机器人工作空间中选取第二系列点，将所述的第二系列点在激光跟踪仪坐标系L下坐标值表示为Lpj，j∈N，利用机器人控制系统控制机器人末端依次到达各个所述的第二系列点；(4)利用激光跟踪仪测量第三靶球的中心点在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值并在机器人控制系统中记录与该坐标值相对应的激光跟踪仪坐标系L在条纹投影测量系统坐标系C下的实际位姿(5)在机器人工作空间中选取第三系列点，所述的第三系列点在激光跟踪仪坐标系L下坐标值为Lpk，k∈N，将第四靶球固定在第三系列点的位置处，利用激光跟踪仪依次测量各个第四靶球中心点在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值通过机器人控制系统控制机器人末端依次到达各个第三系列点；利用激光跟踪仪测量第三靶球中心点在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值并在机器人的控制系统中记录与该坐标值相对应的条纹投影测量系统坐标系C在工件坐标系W下的实际位姿(6)利用Lpk和通过SVD法计算得到激光跟踪仪坐标系L在机器人末端刀具坐标系T下的实际位姿步骤五、用LM算法优化LBT闭环、LCT闭环和LTCW闭环中的坐标系间的变换关系：(1)所述的LBT闭环的变换关系是指：激光跟踪仪坐标系L下的点，从激光跟踪仪坐标系L变换到机器人基坐标系B，该点继续变换到机器人末端刀具坐标系T；优化LBT闭环过程如下：第一步，建立目标函数J的优化方程：方程中各个参数的含义：Lpi是激光跟踪仪坐标系L下第i点的坐标值；是Lpi直接变换到机器人末端刀具坐标系T下的点的实际坐标；是满足两点变换关系的机器人基坐标系B在机器人末端刀具坐标系T下的实际位姿；是满足目标函数最小的激光跟踪仪坐标系L在机器人基坐标系B下的最优位姿；中的旋转矩阵为单位正交矩阵；第二步，用对的变换方程进行修正，先求解一个最优的再求解与相对应的采用LM算法求解第一步方程中最优的再通过下式求得与相对应的并将的值输入机器人控制系统中，更新机器人控制系统中原有的第三步，把优化后的参数代入坐标变换方程得到Lpi由路径LBT变换到机器人末端刀具坐标系T下点的实际坐标；(2)所述的LCT闭环的变换关系是指：激光跟踪仪坐标系L下的点，从激光跟踪仪坐标系L变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人加工系统定位误差的优化方法，其特征在于包括如下步骤：/n步骤一、构建机器人加工系统：/n机器人加工系统包括机器人、激光跟踪仪、条纹投影测量系统和工件；/n在所述的机器人的基座上安装有四个第一靶球座，根据四个第一靶球座设计图纸和加工信息获得四个第一靶球座在基座上的坐标值；/n所述的条纹投影测量系统与机器人的末端刚性连接；机器人加工工件时，条纹投影测量系统在工件附近获取工件的点云信息，获取的工件点云信息输入机器人的控制系统，机器人的控制系统控制机器人末端修正；/n所述的工件安装在工装上，工装上安装有四个第二靶球座，根据第二靶球座设计图纸和加工信息获得四个第二靶球座在工装上的坐标值；/n步骤二、在机器人加工系统中建立坐标系：/n在激光跟踪仪中建立激光跟踪仪坐标系L、在机器人系统中建立机器人基坐标系B、在机器人末端建立机器人末端刀具坐标系T、在条纹投影测量系统中建立条纹投影测量系统坐标系C、在工件中建立工件坐标系W五个坐标系；/n步骤三、将计算得到的机器人加工系统中五个坐标系间的变换关系作为优化的初始变换关系，具体步骤为：/n(1)在四个第一靶球座上分别放置第一靶球，由第一靶球的直径和四个第一靶球座在基座上的坐标值，计算得到第一靶球的中心点在机器人基坐标系B中的坐标；在四个第二靶球座上分别放置第二靶球，由第二靶球的直径和四个第二靶球座在工装上的坐标值，计算得到第二靶球的中心点在工件坐标系W中的坐标，激光跟踪仪放在能够测得机器人加工系统中全部靶球中心点的位置；/n(2)利用激光跟踪仪测量四个第一靶球的中心点的坐标值，得到在激光跟踪仪坐标系L下四个第一靶球的中心点坐标值；利用四个第一靶球的中心点在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值和四个第一靶球的中心点在机器人基坐标系B下的坐标值，通过SVD法计算得到激光跟踪仪坐标系L在机器人基坐标系B下的实际位姿...

【技术特征摘要】
1.一种机器人加工系统定位误差的优化方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、构建机器人加工系统：
机器人加工系统包括机器人、激光跟踪仪、条纹投影测量系统和工件；
在所述的机器人的基座上安装有四个第一靶球座，根据四个第一靶球座设计图纸和加工信息获得四个第一靶球座在基座上的坐标值；
所述的条纹投影测量系统与机器人的末端刚性连接；机器人加工工件时，条纹投影测量系统在工件附近获取工件的点云信息，获取的工件点云信息输入机器人的控制系统，机器人的控制系统控制机器人末端修正；
所述的工件安装在工装上，工装上安装有四个第二靶球座，根据第二靶球座设计图纸和加工信息获得四个第二靶球座在工装上的坐标值；
步骤二、在机器人加工系统中建立坐标系：
在激光跟踪仪中建立激光跟踪仪坐标系L、在机器人系统中建立机器人基坐标系B、在机器人末端建立机器人末端刀具坐标系T、在条纹投影测量系统中建立条纹投影测量系统坐标系C、在工件中建立工件坐标系W五个坐标系；
步骤三、将计算得到的机器人加工系统中五个坐标系间的变换关系作为优化的初始变换关系，具体步骤为：
(1)在四个第一靶球座上分别放置第一靶球，由第一靶球的直径和四个第一靶球座在基座上的坐标值，计算得到第一靶球的中心点在机器人基坐标系B中的坐标；在四个第二靶球座上分别放置第二靶球，由第二靶球的直径和四个第二靶球座在工装上的坐标值，计算得到第二靶球的中心点在工件坐标系W中的坐标，激光跟踪仪放在能够测得机器人加工系统中全部靶球中心点的位置；
(2)利用激光跟踪仪测量四个第一靶球的中心点的坐标值，得到在激光跟踪仪坐标系L下四个第一靶球的中心点坐标值；利用四个第一靶球的中心点在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值和四个第一靶球的中心点在机器人基坐标系B下的坐标值，通过SVD法计算得到激光跟踪仪坐标系L在机器人基坐标系B下的实际位姿作为激光跟踪仪坐标系L和机器人基坐标系B的初始变换关系；
(3)从机器人控制系统中获取机器人基坐标系B在机器人末端刀具坐标系T下的实际位姿作为机器人基坐标系B和机器人末端刀具坐标系T的初始变换关系；
(4)通过机器人手眼标定得到机器人的手眼关系即为条纹投影测量系统坐标系C在机器人末端刀具坐标系T下的实际位姿作为条纹投影测量系统坐标系C和机器人末端刀具坐标系T的初始变换关系；
(5)将在工件坐标系中的坐标已知的四个靶点分别贴在工件上，利用条纹投影测量系统测量四个靶点在条纹投影测量系统坐标系下的坐标，通过SVD法计算得到条纹投影测量系统坐标系C在工件坐标系W下的实际位姿作为条纹投影测量系统坐标系C和工件坐标系W的初始变换关系；
(6)利用激光跟踪仪测量四个第二靶球，得到四个第二靶球中心点在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值，利用四个第二靶球的中心点在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值和四个第二靶球的中心点在工件坐标系W下的坐标值，通过SVD法计算得到激光跟踪仪坐标系L在工件坐标系W下的实际位姿作为激光跟踪仪坐标系L和工件坐标系W的初始变换关系；
步骤四、采集优化所需的数据，具体步骤为：
(1)在机器人工作空间中选取第一系列点，将所述的第一系列点在激光跟踪仪坐标系L下坐标值表示为Lpi,i∈N，利用机器人控制系统控制机器人末端依次到达各个所述的第一系列点；
(2)在机器人末端安装末端靶球架，在末端靶球架上面放置第三靶球，然后利用激光跟踪仪测量第三靶球在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值并在机器人的控制系统中记录与该坐标值相对应的矩阵
(3)在机器人工作空间中选取第二系列点，将所述的第二系列点在激光跟踪仪坐标系L下坐标值表示为Lpj,j∈N，利用机器人控制系统控制机器人末端依次到达各个所述的第二系列点；
(4)利用激光跟踪仪测量第三靶球的中心点在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值并在机器人控制系统中记录与该坐标值相对应的激光跟踪仪坐标系L在条纹投影测量系统坐标系C下的实际位姿
(5)在机器人工作空间中选取第三系列点，所述的第三系列点在激光跟踪仪坐标系L下坐标值为Lpk,k∈N；将第四靶球固定在第三系列点的位置处，利用激光跟踪仪依次测量各个第四靶球中心点在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值通过机器人控制系统控制机器人末端依次到达各个第三系列点；利用激光跟踪仪测量第三靶球中心点在激光跟踪仪坐标系L下的坐标值并在机器人的控制系统中记录与该坐标值相对应的条纹投影测量系统坐标系C在工件坐标系W下的实际位姿
(6)利用Lpk和通过SVD法计算得到激光跟踪仪坐标系L在机器人末端刀具坐标系T下的实际位姿
步骤五、用LM算法优化LBT闭环、LCT闭环和LTCW闭环中的坐标系间的变换关系：
(1)所述的LBT闭环的变换关系是指：激光跟踪仪坐标系L下的点，从激光跟踪仪坐标系L变换到机器人基坐标系B，该点继续变换到机器人末端刀具坐标系T；
优化LBT闭环过程如下：
第一步，建立目标函数J...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁雅斌，郝晏，黄田，刘海涛，田文杰，付津昇，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12